走近中國大科學工程 ——探訪國家天文台興隆觀測站郭守敬望遠鏡

■走近中國大科學工程

黑暗的燕山之巔，瞪着一隻亮閃閃的眼——郭守敬望遠鏡（LAMOST），3月底，其獲得的首批220萬條巡天光譜數據正式向世界發佈。

LAMOST是光譜加工廠，每個觀測夜經“流水線”生產出萬餘條天體光譜，被譽為是實現“更大口徑的大視場望遠鏡的最佳方案”。

LAMOST望遠鏡全景

LAMOST望遠鏡全景

LAMOST望遠鏡內景

LAMOST望遠鏡全景

LAMOST望遠鏡全景

星光不再模糊

LAMOST，是“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”的英文縮寫，位於北京北邊200公里的河北興隆縣，中國科學院國家天文台興隆觀測站。觀測站於1968年建站，2009年LAMOST建成前已運轉多年，有一架2.16米口徑的光學望遠鏡。

跟2.16米望遠鏡相比，LAMOST更大：它佔據三棟6—10層高的筒狀塔樓。星光經過兩面鏡子的先後反射，在接收端被光纖傳給16台光譜儀。光譜儀像三稜鏡一樣，把光線分離成光譜，由32台靈敏的CCD相機記錄。

夜間穹頂打開，隨地球轉動的LAMOST，掃過北半球的中天。遙遠的星光投到LAMOST的鏡片上，開始是一團模糊；LAMOST迅速調整，讓接收端出現了清晰的像斑。

LAMOST的巨鏡採用了主動光學技術。所謂主動光學，就是主動改變鏡片形狀，克服由於重力、温度和風力造成的鏡面本身形變對成像帶來的影響，使成像更加清晰。像LAMOST這樣在一個光學系統中同時應用兩塊大口徑拼接鏡面，是前所未有的。

一塊大鏡面做出精確微調是很難的。LAMOST的Ma鏡由24塊六邊形鏡片拼接而成，如蜂窩；每塊子鏡1.1米長，25毫米厚；整個Ma鏡長5.7米，寬4.4米。Mb子鏡長度與Ma類似，厚度為75毫米，是球面。

國際上用光纖板打孔插光纖和機械手放置光纖只能到數百根，而LAMOST大大增加光纖數量。直徑1.75米的成像焦面之上，密密麻麻地分佈着4000根光纖單元（國際上同類設備僅640根）。4000根光纖的自動定位系統可在數分鐘的時間內將光纖按星表位置精確定位，最大定位誤差僅40微米。

這樣，每次觀測可獲得多達4000個天體光譜，中科院國家天文台台長嚴俊説，“相當於同時啓動4000台望遠鏡”。

LAMOST複雜的設計和製造，全部由中國科學家完成。著名的望遠鏡專家、主動光學發明人Wilson評價説：“LAMOST是主動光學最先進和雄心勃勃的應用，其成功對未來望遠鏡發展具有根本性的意義。”

海量數據，世界分享

宇宙浩瀚，斗轉星移。眾多的天體是如何產生的？數以百億計算的星系又是怎樣演化的？在這些問題的探索中，光譜的獲取是揭開這些天體之謎的一把鑰匙。  

在星系探索中，包含着極其豐富信息的光譜起了非常關鍵的作用。其中星系的光譜可以提供距離、構成、分佈和運動等信息，而恆星的光譜則包含構成、光度、温度、化學組成、空間分佈和演化歷史等資訊。從大量天體的光譜觀測中還可以發現許多奇異的天體和天體現象。所有這些，將促進人類對宇宙演化規律、物質結構、相互作用等最基本物理規律的新認識。

然而，對望遠鏡來説，“看得多”與“看得清”，是魚和熊掌，難以兼得。但LAMOST看得又多又清。

嚴俊説，LAMOST不僅是世界上口徑最大的光譜巡天望遠鏡，也是光譜獲取率最高的，是一件普查天體“户口”的利器。2011年9月至2013年6月，它完成的第一批數據集包含220萬條光譜，已超過目前世界上所有已知恆星巡天項目的光譜總數。

2014年12月，第二批數據集對國內天文學家和國際合作者發佈，共有413萬條天體光譜，其中高質量光譜327萬，還包括一個220萬顆恆星的光譜參數星表。

與郭守敬時代不同，隨着LAMOST這樣的巡天望遠鏡的應用，如今用於天文學研究的數據非常富餘。“LAMOST會給全球科學家提供一個完備的樣本，供他們去研究發現。”中國科學技術大學教授褚耀泉説。

中科院院士、LAMOST運行和發展中心總工程師崔向羣指出，“第一期光譜巡天計劃在5年時間裏獲得超過500萬條高質量的光譜，海量的光譜數據將成為‘數字銀河系’的重要基石，對於研究銀河系的結構、運動、形成和演化具有不可替代的科學意義。”根據天文學界慣例，在經過一年半保護期後，這些由LAMOST光譜巡天獲得的數據資料將會向世界公佈。

篩穀粒一樣發現新星

天文學家利用LAMOST完成的第一批數據集，取得了有影響力的成果，LAMOST運行和發展中心常務副主任趙永恆介紹説。

趙永恆告訴科技日報記者，天文學家利用LAMOST在仙女星系和三角星系區域內新發現近2000顆類星體，這是目前在該天區發現的世界上數目最多的類星體樣本。“這些類星體可用來探測仙女星系和三角星系及其周圍子結構中星際介質的化學組成、分佈和運動學信息。”

此外，科研人員通過LAMOST發現了300多顆白矮星和28顆白矮-主序雙星。白矮星的光度函數可確定恆星形成率和銀河系的演化歷史；從157顆天琴RR變星中探測到了3顆天琴RR變星存在超高聲速激波現象。天琴RR變星對恆星結構與演化，銀河系的形成和宇宙學的研究有重要意義；新發現了50顆貧金屬恆星，為研究銀河系形成和化學演化及早期宇宙中的恆星形成提供了觀測限制。

對LAMOST大樣本光譜數據進行分析研究，發現銀盤上方的恆星正在遠離銀河系中心運動，並伴隨着沿盤向下運動的趨勢；而位於銀盤中間下方的恆星則進行着相反方向的運動，這表明銀河系盤星的運動模式並非簡單的圓周運動。

美國合作者利用LAMOST數據發現了一顆超高速星。這是國際上已發現20顆超高速星中距離地球最近的。在趙永恆看來，研究超高速星能夠幫助天文學家瞭解黑洞附近的情況，還能瞭解銀河系暗物質暈的性質和暗物質的分佈。

LAMOST的科學目標集中於銀河系結構和演化，星系和宇宙學，多波段目標證認三個方面，它對北天可觀測的約14000平方度高銀緯天區進行光譜巡天觀測。

同時，它將對數百萬顆恆星進行光譜觀測，用之於研究銀河系暈的整體結構及亞結構、銀河系的引力勢與物質分佈、從薄盤、厚盤到暈在反銀心方向的結構特徵、銀河系球狀星團來源及其與銀河系結構的關係、銀河系恆星金屬丰度分佈及貧金屬星的搜尋等。LAMOST結合紅外、射電、X射線、伽馬射線巡天的大量天體的光譜觀測將在各類天體多波段交叉證認上作出重大貢獻。